JP2010199231A - 磁性発振素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力及び長寿命で、発振周波数が安定な磁性発振素子を提案する。
【解決手段】本発明の磁性発振素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層１と、磁化方向が不変の磁気ピンド層３と、両者間に配置されるスペーサー層２と、磁気フリー層１に外部磁場を与える磁場発生部７とを備える。磁気フリー層１は、一軸磁気異方性を有し、それに発振閾値電流よりも大きな電流が流れることにより磁化振動を行う。磁場発生部７は、磁化振動による反磁場に起因する発振周波数のシフト量と磁気フリー層１の一軸磁気異方性による磁場に起因する発振周波数のシフト量とを相殺する方向に外部磁場の大きさ及び方向を制御する。磁気フリー層１の磁化振動の中心となる方向と磁気ピンド層３の磁化方向とのなす角度θは、０°≦θ≦７０°及び１１０°≦θ≦１８０°の範囲内にある。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ波発振器に関する。

GMR素子やTMR素子といった磁気抵抗効果素子(MR素子)に、ある閾値電流I_Cよりも大きな直流電流Iを通電することにより、MR素子内のフリー層磁化にスピントルクが作用し、数〜数十GHzの定常な磁化振動が励起されることが知られている（例えば、非特許文献１，２を参照）。

この磁化振動は、MR効果により、高周波電力に変換される。この現象が見られる典型的な素子サイズは100nm×100nm程度である。

この素子は、マイクロ波の起源が磁気的な発振に由来していることから、磁性発振素子と呼ばれる。あるいは、磁化振動の起源がスピントルクであることから、スピントルク発振器(Spin-Torque Oscillator)とも呼ばれる。

磁性発振素子の用途として、微小サイズの発振器であることを活かした用途が考案されている。その一つは、磁性発振素子を携帯用電子機器におけるリファレンスクロックとして用いるというものである。

従来の水晶発振器を磁性発振素子に置き換えれば、リファレンスクロックのスペースを小さくできるだけでなく、単一の送受信回路チップ内にリファレンスクロックを集積することが可能になる。また、RFスペクトラム解析が単一チップで行なえるようにヘテロダイン検波器内の局部発振器としての用途もある。

磁性発振素子は、磁化振動に由来する振動磁場発生器でもあるため、その振動磁場を活かす用途も考案されている。その一つは、無線通信に関するもので、磁性発振素子をコンピューター内の個々のコンポーネント間のデータ転送を担う無線通信用送信機として応用するという用途である。

磁気記録再生装置に関するものとして、例えば、特許文献１に開示されているように、アシスト記録用振動磁場発生器としての用途もある。

磁性発振素子における磁化振動は、外部からの磁場に応答するという特性を有することを活かした用途も考案されている。無線通信に関するものでは、無線通信用受信機として応用するという用途である。

さらに、磁気記録再生装置に関するものとして、例えば、特許文献２，３に開示されているように、磁気記録再生装置の再生ヘッドとしての用途が考案されている。

上記のさまざまな用途に向けた磁性発振素子に要求される主な特性として、素子から高周波出力が効率よく取り出されること、μＷオーダーの高出力であること、発振周波数が安定であること、といった３要素が挙げられる。

発振周波数が安定であることが望ましいというのは、局部発振器としての用途や無線通信用送受信機としての用途を考慮してみれば、明らかなことである。周波数がふらついていては、リファレンスとしての役割は無理であるし、無線通信情報を周波数にのせようにも情報が乱されてしまう。

磁性発振素子から効率よく高周波が取り出されるためには、素子抵抗が100Ω程度であることが望まれる。これは、多くの高周波デバイスの特性インピーダンスが50Ω程度で設計され、規格化されているため、高周波デバイスとしての磁性発振素子もまたそうした規格に合わせる必要があるからである。

磁性発振素子において、磁化振動が励起される典型的な素子サイズは100nm×100nm程度であるから、磁性発振素子のRA（素子抵抗と接合面積との積）として、１Ω・μm²以下であることが要求される。

RAが１Ω・μm²以下という要求は、通常GMR素子では、容易に満足される。TMR素子では、従来は不可能であったが、近年では、スペーサー層を２〜３原子分程度の膜厚で成膜する技術が進展し、RAを１Ω・μm²以下にすることが可能である。

一方、磁性発振素子から、μＷオーダーの高出力を得るためには、高周波出力の起源であるMR効果を高める、すなわち、その指標であるMR比を高めることが必須である。

MR比の高い素子として、近年、MgOバリアを有する磁気トンネル接合膜が注目されている。いわゆる、MgO-MTJである。MgO-MTJは、数百％程度ものMR比を有し、実際、MgO-MTJにおける磁化振動から、数百ｎＷ程度の出力が取り出されることが良く知られている。

しかしながら、MgOは、絶縁体であるため、素子の絶縁破壊の問題がある。素子が絶縁破壊をほとんど起こすことなく高寿命であるためには、素子へ印加される電圧が、約0.1Ｖ以下であることが望まれる。

上記２つの要求から、素子に通電する電流の電流密度Jは、１．０×１０^７A/cm²(=０．１Ｖ÷１Ω・μm²)よりも小さくしなければならない。即ち、J＜１．０×１０^７A/cm²が満たされれば、素子から高周波出力が効率よく取り出されること、μＷオーダーの高出力であること、という２要素は、従来技術を活かして解決することができる。

しかしながら、発振周波数が安定であること、という最後の一つの要素を満たすような磁性発振素子は未だ開示されていない。すなわち、上述の３要素のすべてを満たす磁性発振素子、具体的には、J＜１．０×１０^７A/cm²であり、かつ、発振周波数が安定である磁性発振素子の開発が求められている。

特開２００５−２５８３１号公報 特開２００６−２８６８５５号公報 特許第４０９８７８６号明細書

S. I. Kiselev et al., Nature 425, 380 (2003) W. H. Rippard et al., Physical Review Letters 92, 027201 (2004) NONLINEAR PHENOMENA AND CHAOS IN MAGNETIC MATERIALS (world Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1994), ISBN 981-02-1005-1

本発明は、高出力及び長寿命であり、発振周波数が安定な磁性発振素子を提案する。

本発明の例に係わる磁性発振素子は、磁化方向が可変の磁気フリー層と、磁化方向が不変の磁気ピンド層と、前記磁気フリー層及び前記磁気ピンド層間に配置されるスペーサー層と、前記磁気フリー層に外部磁場を与える磁場発生部とを備える。前記磁気フリー層及び前記磁気ピンド層は、磁化方向がそれらと前記スペーサー層との接合面に対して平行である。前記磁気フリー層は、一軸磁気異方性を有し、それに発振閾値電流よりも大きな電流が流れることにより磁化振動を行う。前記磁場発生部は、前記磁化振動による反磁場に起因する発振周波数のシフト量と前記一軸磁気異方性による磁場に起因する前記発振周波数のシフト量とを相殺する方向に前記外部磁場の大きさ及び方向を制御する。前記磁気フリー層の磁化振動の中心となる方向と前記磁気ピンド層の磁化方向とのなす角度θは、０°≦θ≦７０°及び１１０°≦θ≦１８０°の範囲内にある。

本発明によれば、高出力及び長寿命であり、発振周波数が安定な磁性発振素子を実現できる。

第一実施形態の磁性発振素子を示す図である。 第一実施形態の磁性発振素子を示す図である。 磁化方向の関係を示す図である。 発振周波数のシフト効果について示す図である。 外部磁場と磁化方向との関係を示す図である。 外部磁場と磁化方向との関係を示す図である。 発振閾値電流密度について示す図である。 発振閾値電流密度について示す図である。 第二実施形態の磁性発振素子を示す図である。 第二実施形態の磁性発振素子を示す図である。 第三実施形態の磁性発振素子を示す図である。 磁化方向の相対角度と素子抵抗との関係を示す図である。 システム例について示す図である。 製造方法について示す図である。 磁気ランダムアクセスメモリへの適用例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

１． 基本構成
まず、磁性発振素子は、磁気抵抗効果素子から構成されるものとし、かつ、磁気抵抗効果素子の磁気フリー層及び磁気ピンド層は、それぞれ面内磁化(in-plane magnetization)を有するものとする。

磁気フリー層に関して、面内磁化とは、磁化方向が磁気フリー層とスペーサー層との接合面に対して平行であることを意味し、磁気ピンド層に関して、面内磁化とは、磁化方向が磁気ピンド層とスペーサー層との接合面に対して平行であることを意味する。

そして、本発明の例に係わる磁性発振素子は、磁気抵抗効果素子にある電流を流したときに磁化振動が発生する現象を利用する。この磁化振動の周波数は、磁性発振素子の発振周波数となる。ある電流とは、発振閾値電流密度よりも大きな電流密度を有する電流のことである。

本発明の例では、まず、発振時に、磁気フリー層の磁化振動による反磁場に起因する発振周波数のシフト量と磁気フリー層の一軸磁気異方性による磁場に起因する発振周波数のシフト量とを相殺する方向に作用する外部磁場を、磁性発振素子に与える。

これにより、発振周波数の安定性を向上させることができる。具体的には、発振周波数の安定性の指標であるスペクトル発振線幅Δｆを非常に狭くすることができる。

また、本発明の例では、磁気フリー層の磁化振動の中心となる磁化方向と磁気ピンド層の磁化方向とのなす角度θを、０°≦θ≦７０°及び１１０°≦θ≦１８０°の範囲内に設定する。

０°≦θ≦７０°の範囲での発振は、磁気フリー層と磁気ピンド層の磁化方向が平行となる発振（平行発振）であり、１１０°≦θ≦１８０°の範囲での発振は、磁気フリー層と磁気ピンド層の磁化方向が反平行となる発振（反平行発振）である。

磁化方向が平行とは、磁気フリー層の発振中心磁化方向と磁気ピンド層の磁化方向とのなす角度θが０°≦θ≦９０°の範囲にあることを意味し、磁化方向が反平行とは、磁気フリー層の発振中心磁化方向と磁気ピンド層の磁化方向とのなす角度θが９０°≦θ≦１８０°の範囲にあることを意味する。

これにより、１．０×１０^７A/cm²よりも小さい電流密度で磁気フリー層の磁化振動を励起することが可能になるため、高出力及び長寿命の磁性発振素子とすることができる。

また、スペーサー層をMgOから構成すれば、さらに高出力の高周波出力が得られる。

２． 実施形態
(1) 第一実施形態
図１及び図２は、第一実施形態に係る磁性発振素子を示している。
図１のＡは、鳥瞰図、図１のＢは、断面図、図１のＣは、投射図を表している。図２は、磁性発振素子と磁場発生部との位置関係の例を表している。

磁性発振素子は、磁気フリー層１と、スペーサー層２と、磁気ピンド層３と、一対の電極４とから構成される。磁気フリー層１は、強磁性体から構成され、スペーサー層２は、非磁性層（例えば、MgO)から構成される。

磁気フリー層１は、面内磁化、かつ、一軸磁気異方性を有する。磁気フリー層１の一軸磁気異方性の方向５は、図１のＡ及びＣに図示している。

一軸磁気異方性は、結晶磁気異方性の高い材料を一様磁場内で成膜することにより、又は、成膜後に一様磁場内でアニールすることにより発生させることができる。これを結晶磁気異方性と呼ぶ。また、一軸磁気異方性は、強磁性体の形状を長方形又は楕円形にすることにより発生させることもできる。これを形状磁気異方性と呼ぶ。

磁気フリー層１の平面形状は、例えば、磁気フリー層１の一軸磁気異方性の方向５を長軸とする楕円形である。磁気ピンド層３の平面形状は、磁気フリー層１の平面形状と同じであっても、異なっていてもよい。

ここで、磁気フリー層１の平面形状とは、磁気フリー層１とスペーサー層２との接合面に平行な平面内での磁気フリー層１の形状のことを意味する。また、磁気ピンド層３の平面形状とは、磁気ピンド層３とスペーサー層２との接合面に平行な平面内での磁気ピンド層３の形状のことを意味する。

この磁性発振素子においては、一対の電極４間に、発振閾値電流（発振閾値電流密度を持つ電流）Icよりも大きな電流（発振閾値電流密度よりも大きな電流密度を持つ電流）Iを流すことにより、磁気フリー層１の磁化振動が発生する。

また、この時、磁場発生部７から磁性発振素子に、磁気フリー層１の磁化振動における反磁場に起因する発振周波数のシフト量と磁気フリー層１の一軸磁気異方性による磁場に起因する発振周波数のシフト量とを相殺する方向に作用する外部磁場を与える。

その結果、スペクトル発振線幅Δｆが非常に狭くなり、発振周波数の値を安定させることができる。

また、磁気フリー層１の磁化方向（可変）Ｍ１に関し、磁気フリー層１の磁化振動の中心となる磁化方向６と磁気ピンド層３の磁化方向（不変）Ｍ２とのなす角度θを、０°≦θ≦７０°及び１１０°≦θ≦１８０°の範囲内に設定する。

これにより、１．０×１０^７A/cm²よりも小さい電流密度で磁気フリー層の磁化振動を励起することが可能になるため、高出力及び長寿命の磁性発振素子とすることができる。

ここで、発振周波数の安定性について説明する。

発振周波数の安定性の指標であるスペクトル発振線幅Δｆは、レーザー、電気回路発振器などの従来型の発振器と同様に次式で表すことができる。

但し、Δｆresは、共振器線幅、kBTは、熱エネルギー、Eosciは、磁化振動エネルギーである。また、δは、周波数シフト効果の大きさ、及び、シフトの正負を表す因子である。δの正負の定義に依るが、例えば、δ＞０であれば、周波数減少（レッドシフト）、δ＜０であれば、周波数増大（ブルーシフト）を意味する。

以下、δの正負に関しては、この定義に従うことにする。

式(1)は、周波数シフト効果|δ|が大きいと、発振線幅Δｆが大きくなることを示している。即ち、周波数シフト効果|δ|が大きいと、周波数安定性が悪くなることを意味している。従って、周波数が安定となるための最も理想的な状況は、δ＝０である。

周波数シフト効果の大きさδは、上述のように発振線幅Δｆを増大させることから、特に半導体レーザーや量子ドットレーザーなどのようなレーザー技術分野においては、線幅増大因子(linewidth enhancement factor)と呼ばれている。

さて、面内磁化フリー層（面内磁化を有する磁気フリー層）のような薄膜強磁性体において、磁化がほぼ面内にある場合、その磁化に対する反磁場による発振周波数のシフト効果は、発振周波数を減少させるレッドシフト効果であることが従来から知られている（例えば、非特許文献３を参照）。

一方、本発明者らの研究によれば、磁気フリー層に一軸磁気異方性を持たせた場合、磁化に対する一軸磁気異方性による発振周波数のシフト効果が現れる。

特に、図３に示すように、磁気フリー層の磁化Ｍ１の磁化振動の中心となる方向６が磁気フリー層１の有する一軸磁気異方性の方向５に対して４５°よりも大きいときは、一軸磁気異方性による発振周波数のシフト効果が周波数を増大させるブルーシフト効果になるということが、本発明者らの研究によって明らかになっている。

従って、このような場合には、反磁場に起因するレッドシフト効果（δ＞０）と、一軸磁気異方性による磁場に起因するブルーシフト効果（δ＜０）が共存することになる。

そこで、レッドシフト効果とブルーシフト効果とが互いに相殺するように面内磁化フリー層の磁化Ｍ１の磁化振動の中心となる方向６を外部磁場によって制御することで、δ＝０が実現され、発振線幅Δｆが狭くなり、安定な周波数（磁化振動）を得ることができる。

図４は、磁化振動による反磁場に起因する発振周波数のシフト量（レッドシフト効果）と一軸磁気異方性による磁場に起因する発振周波数のシフト量（ブルーシフト効果）とが相殺する（δ＝０）外部磁場の大きさをシミュレーションした結果を示している。

図５及び図６は、図４のシミュレーション結果を得るための条件を示している。

図５の場合、磁気フリー層１の磁化Ｍ１の磁化振動の中心となる方向６は、磁気フリー層１の有する一軸磁気異方性の方向５に対して垂直（９０°）であり、一軸磁気異方性の方向５に対して４５°よりも大きい。外部磁場Hextの方向は、磁気フリー層１の磁化Ｍ１の磁化振動の中心となる方向６に平行である。

これに対し、図６の場合、磁気フリー層１の磁化Ｍ１の磁化振動の中心となる方向６は、磁気フリー層１の有する一軸磁気異方性の方向５に対して平行（０°）であり、一軸磁気異方性の方向５に対して４５°よりも小さい。外部磁場Hextの方向は、磁気フリー層１の磁化Ｍ１の磁化振動の中心となる方向６に平行である。

このシミュレーションは、磁気デバイス研究においてしばしば用いられるランダウ・リフシッツ・ギルバート(Landau-Lifshitz-Gilbert)方程式をベースにしている。

シミュレーションでは、反磁場４πＭＳの大きさとして、典型値である10000 [Oe]、一軸磁気異方性の磁場の大きさとして、典型値である100 [Oe]を用いている。また、ギルバートダンピングαは、０．０２とした。

図４において、曲線１０は、図５の条件でのシミュレーション結果であり、外部磁場Hext＝380 [Oe]で、δ＝０となり、磁化振動による反磁場に起因する発振周波数のシフト量（レッドシフト効果）と一軸磁気異方性による磁場に起因する発振周波数のシフト量（ブルーシフト効果）とが相殺することになる。

しかしながら、図４において、図６の条件で得られる曲線１１は、外部磁場Hextに対して、常に、δ＞０である。

これらの振る舞いの相違は、磁気フリー層１の磁化Ｍ１の磁化振動の中心となる方向６が、磁気フリー層１の有する一軸磁気異方性の方向５に対して４５°よりも大きいか、又は、小さいか、に依存する。この４５°という角度が境界値となる理由は、磁気フリー層１の磁化Ｍ１に対する一軸磁気異方性に起因する磁場の向きの正負が、その角度において反転するためである。

以上をまとめると、まず、発振周波数の安定性については、磁気フリー層１の磁化振動における反磁場に起因する発振周波数のシフト量と磁気フリー層１の一軸磁気異方性による磁場に起因する発振周波数のシフト量とを相殺する方向に外部磁場Hextを発生させることにより実現される。

特に、磁気フリー層１の磁化Ｍ１の磁化振動の中心となる方向６を、磁気フリー層１の有する一軸磁気異方性の方向５に対して４５°よりも大きくすれば、δ＝０とすることができ、発振周波数の安定性を向上できる。

次に、低電流密度による高出力及び長寿命について説明する。

これらの効果は、磁気フリー層の磁化振動の中心となる方向と磁気ピンド層の磁化方向とのなす角度θを、０°≦θ≦７０°及び１１０°≦θ≦１８０°の範囲内にし、磁性発振素子に通電する電流の電流密度Ｊを１．０×１０^７A/cm²よりも小さくすることにより実現される。

図７及び図８は、発振閾値電流密度と、磁気フリー層の磁化振動の中心となる方向と磁気ピンド層の磁化方向とのなす角度θとの関係を示している。

この関係は、ランダウ・リフシッツ・ギルバート・スロンチェスキー(Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski)方程式によるシミュレーション結果である。磁気フリー層の厚さ（磁気フリー層とスペーサー層の接合面に垂直な方向における磁気フリー層の幅）ｄは、2nm、飽和磁化ＭＳは、600 emu/cm³、スピン偏極率Pは、0.3、外部磁場の大きさHextは、0.08×4πＭＳ、一軸磁気異方性による磁場の大きさHkは、0.02×4πＭＳとした。

図７のシミュレーションは、磁気フリー層と磁気ピンド層の磁化方向が平行となる発振（平行発振）に関する。その結果によれば、０°≦θ≦９０°の範囲内では、θが大きいほど、発振閾値電流密度が増大する。本発明の目的の一つは、磁性発振素子に通電する電流の電流密度、即ち、発振閾値電流密度Ｊを１．０×１０^７A/cm²よりも小さくすることにある。従って、そのためには、０°≦θ≦７０°とすればよいことがわかる。

また、図８のシミュレーションは、磁気フリー層と磁気ピンド層の磁化方向が反平行となる発振（反平行発振）に関する。その結果によれば、９０°≦θ≦１８０°の範囲内では、θが小さいほど、発振閾値電流密度が増大する。また、θをθ’（＝１８０−θ）に置き換えると、０°≦θ’≦９０°の範囲内では、図７と同様に、θ’が大きいほど、発振閾値電流密度が増大する。従って、０°≦θ’≦７０°とすれば、発振閾値電流密度Ｊを１．０×１０^７A/cm²よりも小さくすることができる。０°≦θ’≦７０°は、１１０°≦θ≦１８０°と等価である。

θ＝９０°において、発振閾値電流密度が非常に大きくなるという物理的な理由は、磁気フリー層の磁化Ｍ１の磁化振動を励起する原因がスピントルクにある、という点にある。磁化Ｍ１に作用するスピントルクは、次式で表される。
ａ_Ｊ・Ｍ１ × （Ｍ１×Ｍ２） …（２）
但し、×は、ベクトル積であり、ａ_Ｊは、磁気フリー層に通電する電流に比例する実数である。（２）式は、面内磁化フリー層の磁化Ｍ１、面内磁化ピンド層の磁化Ｍ２に対しcosθに比例するため、θ≒９０°のときに極々小さくなるような量である。そのため、θ≒９０°の場合には、ａ_Ｊ、即ち、磁気フリー層に通電する電流の電流密度を非常に大きくしないと、磁気フリー層の磁化Ｍ１の磁化振動を励起するようなスピントルクを発生させることができない。

以上、説明したように、本発明の第一実施形態に係る磁性発振素子においては、まず、磁気フリー層の磁化振動による反磁場に起因する発振周波数のシフト量と磁気フリー層の一軸磁気異方性による磁場に起因する発振周波数のシフト量とを相殺する方向に外部磁場を発生させることにより、発振周波数の安定性を向上させることができる。

また、これに加えて、さらに、磁気フリー層の磁化の磁化振動の中心となる方向を、磁気フリー層の有する一軸磁気異方性の方向に対して４５°よりも大きくすることにより、δ＝０とし、発振周波数の安定性をさらに向上させることができる。

さらに、磁気フリー層の磁化振動の中心となる磁化方向と磁気ピンド層の磁化方向とのなす角度θを、０°≦θ≦７０°及び１１０°≦θ≦１８０°の範囲内に設定することにより、１．０×１０^７A/cm²よりも小さい電流密度で磁気フリー層の磁化振動を励起することができ、高出力及び長寿命の磁性発振素子とすることができる。

また、スペーサー層をMgOから構成すれば、さらに高出力の高周波出力が得られる。

(2) 第二実施形態
図９は、第二実施形態に係わる磁性発振素子を示している。

第二実施形態に係わる磁性発振素子の特徴は、磁気ピンド層３の構造にある。その他の点については、第一実施形態と同じである。

磁性発振素子は、磁気フリー層１と、スペーサー層２と、磁気ピンド層３と、一対の電極４とから構成される。磁気フリー層１は、強磁性体から構成され、スペーサー層２は、非磁性層（例えば、MgO)から構成される。

磁気フリー層１は、面内磁化、かつ、一軸磁気異方性を有する。磁気フリー層１の一軸磁気異方性の方向５は、図１０に図示している。

磁気ピンド層３は、強磁性層８Ａと反強磁性層（例えば、IrMn）８Ｂの積層構造から構成される。反強磁性層８Ｂは、強磁性層８Ａとの交換結合により、強磁性層８Ａの磁化方向、即ち、磁気ピンド層３の磁化方向を固定する。

ここで、図１０に示すように、磁気ピンド層３の磁化Ｍ２の磁化方向（着磁方向）は、磁気フリー層１の有する一軸磁気異方性の方向５に対して２０°よりも大きいことが好ましい。

なぜなら、このようにすることで、磁気フリー層１の磁化振動の中心となる磁化方向と磁気ピンド層３の磁化方向Ｍ２とのなす角度を、平行発振の場合には小さく、反平行発振の場合には大きくし易くなるためである。

第二実施形態の磁性発振素子においても、一対の電極４間に、発振閾値電流（発振閾値電流密度を持つ電流）Icよりも大きな電流（発振閾値電流密度よりも大きな電流密度を持つ電流）Iを流すことにより、磁気フリー層１の磁化振動が発生する。

また、この時、磁性発振素子に、磁気フリー層１の磁化振動による反磁場に起因する発振周波数のシフト量と磁気フリー層１の一軸磁気異方性による磁場に起因する発振周波数のシフト量とを相殺する方向に作用する外部磁場を与える。

その結果、スペクトル発振線幅Δｆが非常に狭くなり、発振周波数の値を安定させることができる。

また、磁気フリー層１の磁化の磁化振動の中心となる方向を、磁気フリー層１の有する一軸磁気異方性の方向５に対して４５°よりも大きくすることにより、δ＝０とし、発振周波数の安定性をさらに向上させることができる。

さらに、磁気フリー層１の磁化振動の中心となる磁化方向と磁気ピンド層３の磁化方向Ｍ２とのなす角度θを、０°≦θ≦７０°及び１１０°≦θ≦１８０°の範囲内に設定することにより、１．０×１０^７A/cm²よりも小さい電流密度で磁気フリー層の磁化振動を励起させ、高出力及び長寿命の磁性発振素子を実現できる。

(3) 第三実施形態
図１１は、第三実施形態に係わる磁性発振素子を示している。

第三実施形態に係わる磁性発振素子の特徴は、一対の電極４間に定電圧源９を接続したことにある。その他の点については、第一実施形態と同じである。

半導体デバイスにおいては、電圧駆動が主流である。そのため、本発明の例に係わる磁性発振素子が半導体デバイスと融合して複合的なデバイスを構成する場合には、磁性発振素子を定電圧駆動することが好ましい。

本発明の例に係わる磁性発振素子は、磁気抵抗効果素子から構成されるため、磁気フリー層１の磁化Ｍ１と磁気ピンド層３の磁化Ｍ２との相対角度θによって素子抵抗Ｒが変化する。素子抵抗Ｒは、典型的には、次式のような角度依存性を持つ。
Ｒ ＝ Ｒ０＋ΔＲ（１−ｃｏｓ２（θ/２）） …（３）
図１２は、式(3)をプロットしたものである。

θが大きいほど、素子抵抗Ｒは大きくなる。また、定電圧Ｖで、本発明の例に係わる磁性発振素子を駆動する場合、磁性発振素子に流れる電流Ｉは、オームの法則 Ｉ＝Ｖ／Ｒにより、θが大きいほど小さくなる。

既に説明したように、本発明の目的の一つは、磁性発振素子に流す電流の電流密度を小さくすることにあるため、より小さい定電圧Ｖで磁気フリー層１の磁化Ｍ１の磁化振動を励起させるために、θは、なるべく小さいことが好ましい。

第三実施形態の磁性発振素子においても、一対の電極４間に、発振閾値電流（発振閾値電流密度を持つ電流）Icよりも大きな電流（発振閾値電流密度よりも大きな電流密度を持つ電流）Iを流すことにより、磁気フリー層１の磁化振動が発生する。

また、この時、磁性発振素子に、磁気フリー層１の磁化振動による反磁場に起因する発振周波数のシフト量と磁気フリー層１の一軸磁気異方性による磁場に起因する発振周波数のシフト量とを相殺する方向に作用する外部磁場を与える。

その結果、スペクトル発振線幅Δｆが非常に狭くなり、発振周波数の値を安定させることができる。

また、磁気フリー層１の磁化の磁化振動の中心となる方向を、磁気フリー層１の有する一軸磁気異方性の方向に対して４５°よりも大きくすることにより、δ＝０とし、発振周波数の安定性をさらに向上させることができる。

さらに、磁気フリー層１の磁化振動の中心となる磁化方向と磁気ピンド層３の磁化方向Ｍ２とのなす角度θを、０°≦θ≦７０°及び１１０°≦θ≦１８０°の範囲内に設定することにより、１．０×１０^７A/cm²よりも小さい電流密度で磁気フリー層の磁化振動を励起させ、高出力及び長寿命の磁性発振素子を実現できる。

３． システム例
次に、本発明の例に係わる磁性発振素子から高周波信号を取り出すシステムの例について説明する。

図１３は、磁性発振素子を有するシステムとしての発振器を示している。

磁性発振素子１０に定電圧源９を接続し、磁性発振素子１０に直流電流Ｉを流すことにより、磁気フリー層１の磁化振動が発生する。この磁化振動により、磁性発振素子１０の素子抵抗Ｒが周期的に変化することによる磁性発振素子１０からの高周波信号を、例えば、以下のシステムにより検出する。

まず、高周波信号は、ハイパスフィルター１１を経由して、遅延検波回路１２に入力される。ハイパスフィルター１１は、高周波信号以外の雑音を除去する。

遅延検波回路１２において、高周波信号は、二分され、一方は、直接、ミキサー１４に入力され、他方は、遅延回路１３を経由してミキサー１４に入力される。ミキサー１４は、これら二つの高周波信号を乗積し、一定周波数の電圧を生成する。

ローパスフィルター１５は、ミキサー１４によって生成された一定周波数の電圧以外の雑音を除去する。

最後に、高周波信号生成回路１６は、一定周波数の電圧に基づいて、高周波信号（例えば、半導体デバイスを制御するクロック信号）を生成する。

このシステムによれば、磁性発振素子１０から高速に高周波信号を取り出すことができる。但し、これ以外のシステムを用いて高周波信号を生成しても構わない。

４． 製造方法
磁性発振素子の製造方法と材料例について、図１４を参照しながら説明する。

まず、ＣＶＤ法により、半導体基板１７上に、例えば、ＳｉＯ_２から構成される絶縁層１８を形成する。また、スパッタリング法により、絶縁層１８上に、例えば、Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａの積層構造から構成される下部電極１９を形成する。

この後、下部電極１９上に磁性発振素子１０を形成する。

磁性発振素子（磁気抵抗効果素子）１０は、下部電極１９上に、強磁性層２０、非磁性層２５及び強磁性層２６の積層構造を形成することにより形成される。

磁性発振素子をボトムピン型にするときは、強磁性層２０は、磁気ピンド層になり、強磁性層２６は、磁気フリー層になる。また、磁性発振素子をトップピン型にするときは、強磁性層２０は、磁気フリー層になり、強磁性層２６は、磁気ピンド層になる。

ここでは、磁性発振素子をボトムピン型にする場合について説明する。
この場合、強磁性層２０は、例えば、反強磁性層２１／強磁性層２２／非磁性層２３／強磁性層２４の積層構造から構成される。

反強磁性層２１は、例えば、ＩｒＭｎから構成される。

強磁性層２２、非磁性層２３及び強磁性層２４は、例えば、二つの強磁性層が磁気交換結合するＳＡＦ(synthetic anti-ferromagnetic)構造を有する。強磁性層２２は、例えば、ＣｏＦｅから構成され、非磁性層２３は、例えば、Ｒｕから構成され、強磁性層２４は、例えば、ＣｏＦｅＢから構成される。

非磁性層２５は、トンネルバリア層となり、例えば、ＭｇＯから構成される。

そして、強磁性層２０、非磁性層２５及び強磁性層２６の積層構造は、フォトリソグラフィーとＲＩＥにより、パターニングされる。その結果、例えば、平面形状が楕円形の磁性発振素子１０が形成される。

また、この磁性発振素子１０の周囲を取り囲む絶縁層２７を形成する。絶縁層２７は、例えば、ＳｉＯ_２から構成される。

最後に、スパッタリング法により、磁性発振素子１０上に、例えば、Ａｕ／Ｃｕの積層構造から構成される上部電極２８を形成する。

本発明者らは、このような磁性発振素子１０において、下部電極１９と上部電極２８との間に定電圧を印加し、直流電流を発生させたところ、磁気フリー層としての強磁性層（ＣｏＦｅＢ）２６の磁化に歳差運動が生じることを確認した。

但し、磁性発振素子１０の平面形状（サイズ）は、６０ｎｍ（短軸）×１２０ｎｍ（長軸）の楕円形である。

また、強磁性層２６の一軸磁気異方性は、形状磁気異方性により付与し、長軸方向を磁化容易軸とし、短軸方向を磁化困難軸とした。一軸磁気異方性により発生する磁場は、約２５０ Ｏｅであった。

さらに、この磁性発振素子１０の素子抵抗Ｒは、約４８Ω、ＭＲ比は、約６．８％であった。

５． 適用例
本発明の例に係わる磁性発振素子は、磁気抵抗効果素子から構成される。

磁性発振素子を、例えば、半導体集積回路の動作タイミングを制御するクロック信号（リファレンスクロック）を生成する発振器に使用する場合には、磁性発振素子の製造プロセスと半導体集積回路の製造プロセスとの共通化を図ることが製造コストの低下には効果的である。

ここで、次世代メモリとして、磁気抵抗効果素子をメモリセルとするスピン注入磁気ランダムアクセスメモリが知られている。

スピン注入磁気ランダムアクセスメモリは、磁化反転（書き込み）をスピントルクにより行うことに特徴を有する。

そこで、例えば、図１５に示すように、本発明の例に係わる磁性発振素子を磁気ランダムアクセスメモリに適用することは非常に有効である。

なぜなら、メモリセルアレイ３１内のメモリセル（磁気抵抗効果素子）と同時に発振器３２内の磁性発振素子を形成することができるためである。

この場合、磁性発振素子から構成される発振器３２により生成したクロック信号（リファレンスクロック）は、制御回路３３、ワード線ドライバ３４、ビット線ドライバ／シンカー３５及び読み出し回路３６に供給される。

６． むすび
本発明によれば、高出力及び長寿命であり、発振周波数が安定な磁性発振素子を実現できる。

本発明の例は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明は、携帯用電子機器におけるリファレンスクロック、単一の送受信回路チップ内リファレンスクロック、単一チップRFスペクトラムアナライザ用局部発振器、無線通信用送受信器、高周波アシスト記録用素子、磁気センサーなどに対して、産業上のメリットは多大である。

１： 磁気フリー層、 ２： スペーサー層、 ３： 磁気ピンド層、 ４： 電極、 ５： 一軸磁気異方性の方向、 ６： 磁気フリー層の磁化振動の中心となる方向、 ７： 磁場発生部、 ８Ａ，２０，２２，２４，２６： 強磁性層、 ８Ｂ，２１： 反強磁性層、 ９： 定電圧源、 １０： 磁性発振素子、 １１： ハイパスフィルター、 １２： 遅延検波回路、 １３： 遅延回路、 １４： ミキサー、 １５： ローパスフィルター、 １６： 高周波信号生成回路、 １７： 半導体基板、 １８，２７： 絶縁層、 １９： 下部電極、 ２３，２５： 非磁性層、 ２８： 上部電極、 ３１： メモリセルアレイ、 ３２： 発振器、 ３３： 制御回路、 ３４： ワード線ドライバ、 ３５： ビット線ドライバ／シンカー、 ３６： 読み出し回路。

Claims (5)

1. 磁化方向が可変の磁気フリー層と、
   磁化方向が不変の磁気ピンド層と、
   前記磁気フリー層及び前記磁気ピンド層間に配置されるスペーサー層と、
   前記磁気フリー層に外部磁場を与える磁場発生部とを具備し、
   前記磁気フリー層及び前記磁気ピンド層は、磁化方向がそれらと前記スペーサー層との接合面に対して平行であり、
   前記磁気フリー層は、一軸磁気異方性を有し、それに発振閾値電流よりも大きな電流が流れることにより磁化振動を行い、
   前記磁場発生部は、前記磁化振動による反磁場に起因する発振周波数のシフト量と前記一軸磁気異方性による磁場に起因する前記発振周波数のシフト量とを相殺する方向に前記外部磁場の大きさ及び方向を制御し、
   前記磁気フリー層の磁化振動の中心となる方向と前記磁気ピンド層の磁化方向とのなす角度θは、０°≦θ≦７０°及び１１０°≦θ≦１８０°の範囲内にある
   ことを特徴とする磁性発振素子。
2. 前記磁気フリー層の磁化振動の中心となる方向は、前記一軸磁気異方性の方向に対して４５°よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
3. 前記磁気ピンド層の磁化方向は、前記一軸磁気異方性の方向に対して２０°よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性発振素子。
4. 前記磁気フリー層の平面形状は、前記一軸磁気異方性の方向を長軸とする楕円形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁性発振素子。
5. 前記発振周波数は、半導体集積回路のリファレンスクロックの周波数となることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁性発振素子。

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